上海世博會意大利館采光頂索桁架加固設計與施工

李志強 劉小蔚 羅曉群

1. 上海通正鋁結構建設科技有限公司 上海 201106；2. 上海建科鋁合金結構建筑研究院 上海 201199；3. 上海同磊土木工程技術有限公司 上海 200433

1 項目概況

上海世博會意大利館位于浦東新區世博園C片區（圖1），是世博會后保留下來的4個歐洲國家場館之一[1]。該場館占地面積3 600 m2，總建筑面積7 800 m2，呈四方形，建筑高度為18 m。世博會意大利館主體采用框架結構，運營10年后改造為永久場館，其屋頂索桁架采光頂（圖2）由于設計年限的變更及使用環境的變化需要進行加固。

圖1 意大利館實景

圖2 屋頂索桁架采光頂

上海世博會意大利館共有入口、中庭2個索桁架采光頂，2個采光頂結構布置類似、桿件截面相同、平面尺寸接近。本文以中庭索桁架采光頂為例，闡述其檢測、加固過程。世博會意大利館中庭索桁架采光頂軸測圖及結構布置見圖3，最大跨度為22 m。該采光頂采用玻璃屋面，支撐玻璃的龍骨焊接在索桁架受壓撐桿上。其中：屋頂龍骨、索桁架受壓撐桿截面分別為φ194 mm× 12 mm、φ60 mm×8 mm，材質均為Q235B；拉索截面均為φ30 mm，材質均為不銹鋼。

圖3 中庭采光頂軸測圖及結構布置示意

上海世博會意大利館中庭采光頂索桁架共有9榀，編號為CA1～CA9。索桁架共有承重索、穩定索、連系索這3種拉索，立面圖中下凹的拉索為承重索，上凸的即為穩定索，將各榀索桁架在受壓撐桿下節點處連系起來的為連系索。CA1～CA9的9根承重索依次編號為1～9，穩定索則依次編號為10～18，連系索LXS1、LSX2分別編號為第19、20號拉索。其中CA8索桁架穩定索在一端分叉成兩支，以便于錨固在土建結構上。

2 現場檢測與處理措施

考慮到意大利館是按臨時建筑設計的，設計使用年限及指標均較低，且該索桁架結構已經使用了十年，構件、節點已經出現一些破損和銹蝕，故需對索桁架結構進行檢測與評估，給出處理措施，并進行結構安全性復核。

2.1 節點與焊縫

根據相關規范的規定[2-3]，對采光頂結構關鍵節點進行了檢測，發現主要存在兩類問題：一是端部拉索錨固節點的焊接節點銹蝕與焊接缺陷，二是索夾節點出現松動。

對于拉索錨固節點出現的銹蝕與焊接缺陷，首先需要釋放內力、刨除焊縫，再打磨清根，重新焊接并涂漆。對于松動的索夾，需要釋放拉索、更換索夾并重新鎖緊。

2.2 拉索內力檢測

根據相關規范的規定需對拉索內力進行現場檢測[4]，為避免拆卸，采用繩索張力測試儀（弓矢計）進行測試。測試原理及現場實景分別見圖4、圖5。通過式（1）可得到拉索拉力F，其中T、α分別為弓矢計推力、弓矢計兩側的拉索夾角。中庭索桁架采光頂分別有承重索9根、穩定索9根、連系索2根，每一根拉索兩端均進行測試，索力測試時屋面玻璃尚未拆卸，測試結果見圖6。

圖4 拉索拉力測試原理

圖5 拉索拉力測試現場實景

圖6 拉索內力測試結果

將承重索、穩定索與軸線A較遠而與軸線B較近的一端定義為右端，另一端則為左端。將連系索與軸線1較近的一端定義為左端，另一端則為右端。上海世博會意大利館中庭索桁架并非嚴格對稱，拉索左、右兩端在考慮玻璃質量的荷載態時內力設計值Ni、Nj并不相等。承重索、穩定索、連系索左端的荷載態內力設計值最大分別為155.1、11.4、68.3 kN，右端的荷載態內力設計值最大分別為169.4、7.8、47.6 kN。其中，承重索左、右兩端內力設計值最大相差－18.6 kN，穩定索左、右兩端內力設計值最大相差3.6 kN，連系索左、右兩端內力設計值最大相差20.7 kN。

由圖6可知：除9號拉索左、右兩端實測內力與設計值的偏差分別為34.8、32.8 kN外，其他承重索左、右兩端內力實測值均低于設計值，最大偏差分別為－56、－61 kN；穩定索左、右兩端內力實測值均高于設計值，最大偏差分別為57.9、58.0 kN；2根連系索內力實測值均低于設計值，最大偏差分別為－25.0、－25.2 kN。綜上所述，拉索左、右兩端實測內力Fi、Fj與荷載態設計值Ni、Nj有較大偏差，尤其是大多數承重索實測內力低于設計值，需要進行補充張拉，以使得拉索內力達到設計值。

2.3 結構復核

需要根據實測出的拉索內力進行結構復核，以評估既有結構的安全性。計算時不銹鋼拉索彈性模量取130 GPa，考慮恒、活荷載分別為1 kN/m2和0.5 kN/m2，基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為B類，風振系數取1.8，體型系數?。?.0，風壓高度變化系數取1.21，溫度變化為±30 ℃。恒＋活工況下屋蓋最大豎向變形為70.92 mm，約為跨度的1/316，滿足規范要求[5]。不銹鋼拉索的設計應力比最大為0.549。由于受壓撐桿與屋面鋼梁采用焊接連接，撐桿頂端承受較大的彎矩，導致與屋面鋼梁相連的一段受壓撐桿應力比超限，最大為2.3，需要進行加固處理?？稍趹Ρ瘸薜囊欢螕螚U外部套一根φ89 mm×6 mm的鋼管，以增大抗彎能力，構造見圖7。

圖7 受壓撐桿加固處理措施

3 拉索補充張拉

3.1 工序與要求

一般索結構預應力工程包括索的安裝和索的張拉2個工序，本工程是加固改造工程，沒有索體安裝工序，但張拉前需要對索構件進行檢查，對破壞的構件需要更換，對松弛的節點需要重新安裝到位。檢查和加固完成后，分13步完成施工。第1步拆除屋面玻璃并將各榀索桁架拉索右端內力調整至10 kN左右（連系索右端內力調整至5 kN），第2～10步按照CA1～CA9的順序依次張拉承重索和穩定索右端至100%張拉控制力（考慮5%超張拉），第11、12步依次將LXS1、LSX2右端分別張拉至100%張拉控制力，第13步重新安裝屋面玻璃。其中，第12步完成后就意味著索桁架拉索張拉完畢，拉索內力達到初始態設計值。

考慮到預張力較小，本工程采用專用扭矩扳手進行擰緊實現拉索張拉，扭矩扳手和作為操作平臺的蜘蛛車掛籃見圖8。張拉前需要對扭矩扳手進行標定，由標定參數換算對應的拉力值，并制作拉力-扭矩數據表，以方便現場操作和查驗。

圖8 扭矩扳手和張拉操作平臺

3.2 施工張拉模擬

施工張拉模擬計算是預應力結構施工前需要進行的極其重要的工作，可通過尋找每一時刻的預應力分布得到結構的構形，進而模擬出結構的施工成形[6]，用以指導施工、確保安全。對拉索的施工張拉進行有限元模擬時需要考慮幾何大變形的影響，考察索桁架在每一個施工步的變形和內力，以驗證張拉方案的可行性，并得到每一個施工步的拉索張拉控制力，確保張拉完畢后拉索內力達到初始態設計值。

基于施工模擬計算的結果，可得到承重索、穩定索、連系索在每一個施工步的索力變化。

由施工模擬計算數據可知：各榀索桁架的張拉是相互影響的，對于已經張拉完畢的拉索，隨著后續拉索的張拉其索力仍會改變，但這個影響隨著各榀索桁架之間距離的增大而減小，比如第CA2、CA3榀索桁架的張拉對第CA1榀索桁架的索力有影響，但后續各榀索桁架的張拉對第CA1榀索桁架的索力基本無影響了。對于承重索而言，每一施工步的張拉控制力均高于初始態設計值，隨著張拉的進行，后張拉拉索的張拉控制力逐漸與初始態設計值接近。穩定索每一施工步的張拉控制力則均低于初始態設計值，隨著張拉的進行，后張拉拉索的張拉控制力逐漸與初始態設計值接近；連系索的張拉控制力則與初始態設計值大致相當。

各榀索桁架屋面位置跨中節點在每一個施工步的豎向變形見表1，其中帶下劃線的斜體數字代表該榀索桁架被張拉時的豎向變形。由表1中的數據可知，各榀索桁架的張拉是相互影響的：某榀索桁架的張拉會減小仍未張拉的各榀索桁架的變形；對于已經張拉完畢的某榀索桁架，隨著其他各榀索桁架的張拉，其變形仍會改變，但這個影響隨著各榀索桁架之間距離的增大而減小，比如第CA2、CA3榀索桁架的張拉對第CA1榀索桁架的變形有影響，但后續各榀索桁架的張拉對第CA1榀索桁架的變形就基本無影響了。

表1 各榀索桁架跨中節點施工過程中的豎向變形單位：mm

3.3 張拉監測

施工張拉完畢后對拉索內力與采光頂變形進行了監測，結果表明張拉是可靠、有效的，張拉完畢后采光頂屋面的標高與設計值的最大偏差在2 mm以內。以每根拉索右端為例，張拉完畢后（第12步）拉索內力實測值Fj與初始態設計值Nj最大偏差為3.6 kN（3.91%），滿足要求，見圖9。

圖9 張拉完畢后拉索內力實測值與初始態設計值的對比

4 結語

對上海世博會意大利館采光頂索桁架進行了加固設計與施工，為類似工程積累了經驗，并得到以下結論：

1）索桁架加固前需對所有拉索的內力進行檢測，并采用測得的真實內力進行結構安全性復核。

2）本項目實測拉索內力與設計值有一定偏差，需對拉索進行重新張拉，張拉前尚需對關鍵焊縫、節點進行檢測與加固。

3）經施工張拉模擬計算，所采用的索桁架補充張拉方案可使拉索內力達到設計值，張拉后的監測結果表明拉索內力、變形滿足要求。